JP5374741B2

JP5374741B2 - 多重冗長型リニアセンサ

Info

Publication number: JP5374741B2
Application number: JP2010182253A
Authority: JP
Inventors: 康文原
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: JP2012042273A

Description

本発明は、多重冗長型リニアセンサに関し、特に、検出コイルと長手状磁性部材の組合わせによる簡単な構造とするための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のリニアセンサとしては、磁気を用いたマグネスケール、光学式リニアエンコーダ、電磁誘導式の構成等があったが、使用温度範囲が狭く、検出部とスケールとのギャップも狭い構成であった。
また、使用温度範囲が広く取れる構成としては、リニアレゾルバ、ＬＶＤＴ、磁歪式リニアセンサが存在するが、ギャップが狭いという問題が存在していた。
従来例として代表的な構成としては、図１１に示される特許文献１の直線位置検出装置を挙げることができる。

図１１において、符号１で示されるものは長手形状の固定子であり、この固定子３１の下面には複数の突出歯３２がその長手方向に沿って所定間隔で形成されている。
前記固定子３１の下方位置には、この固定子３１の長さよりも長い形状の可動子４０が矢印の方向に沿って移動可能に配設されており、この可動子４０の上面には波形に形成された波形部４０ａが形成されている。
前記各突出歯３２には、励磁コイル２Ｂと出力コイル２，２Ａとが巻回して設けられており、各突出歯３２と波形部４０ａとの間の隙間ｄは前記可動子４０の移動に応じて変化するように構成されている。

従って、前記可動子４０の直線移動により各突出歯３２と波形部４０ａとの間の隙間ｄにより、ギャップパーミアンスが移動距離に対して正弦波状に変化する波形状に形成され、周知の可変リラクタンス型のレゾルバを直線的に展開したリニア型のリニアセンサを得ることができる。

特開２０００−３１４６０６号公報

従来のリニアセンサは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述のリニアセンサは、出力コイルが巻回されている固定子１と可動子５との隙間の変化を位置信号として利用していたため、出力コイルと可動子間のギャップを大きくすると、ギャップ長の変化での位置検出信号が小さくなるため、ギャップを大きくすることは極めて困難であった。

従来、用いられていたこの種のリニアセンサは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、出力コイルが設けられている突出歯と可動子の波形部との間のギャップ長の変化を位置信号として利用しているため、突出歯と波形部との間のギャップを大きくすると、このギャップ長の変化での位置信号が小さくなるため、このギャップを広くすることは、リニアセンサ自体の位置検出信号のレベルが小さくなると共に、形状の小型化に逆行することになっていた。

本発明による多重冗長型リニアセンサは、第１、第２及び第３突出歯部を有しＥ型コアからなる１個のみの検出ステータと、前記検出ステータに設けられた第１、第２、第３突出歯部と、前記第１突出歯部に設けられた複数の第１検出コイルと、前記第２突出歯部に設けられた複数の励磁コイルと、前記第３突出歯部に設けられた複数の第２検出コイルと、前記各突出歯部の各先端面の近傍位置に配設された長手状磁性部材と、を備え、前記長手状磁性部材)は、板又は薄膜状の帯状磁性材よりなり、前記長手状磁性部材の両側部の側部長手方向は、前記Ｅ型コアのコア厚さ方向と直交するコア幅方向に対して非直交方向となるように設定され、前記長手状磁性部材と検出ステータとの非接触状態による相対移動を前記検出ステータに設けられた各複数よりなる前記第１、第２検出コイルで検出することにより、多重冗長系を形成する構成であり、また、前記長手状磁性部材は、長手状部材上に貼り付けられている構成であり、また、前記Ｅ型コアの前記コア幅方向に沿うコア幅寸法は、前記長手状磁性部材の磁性部材幅寸法より大である構成であり、また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの外周には、第１、第２補正コイルが筒状でかつ二層状に設けられている構成であり、また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、各々独立した一対の輪状ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向に沿って積層されている構成であり、また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、前記励磁コイルを設けるための励磁コイル用ボビンと一体に形成された補正コイル用ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向と直交する方向に沿って積層されている構成であり、また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、前記励磁コイルを設けるための励磁コイル用ボビンと一体に形成された補正コイル用ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向と沿う方向において積層されている構成である。

本発明による多重冗長型リニアセンサは、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、第１、第２及び第３突出歯部を有しＥ型コアからなる１個のみの検出ステータと、前記検出ステータに設けられた第１、第２、第３突出歯部と、前記第１突出歯部に設けられた複数の第１検出コイルと、前記第２突出歯部に設けられた複数の励磁コイルと、前記第３突出歯部に設けられた複数の第２検出コイルと、前記各突出歯部の各先端面の近傍位置に配設された長手状磁性部材と、を備え、前記長手状磁性部材は、板又は薄膜状の帯状磁性材よりなり、前記長手状磁性部材の両側部の側部長手方向は、前記Ｅ型コアのコア厚さ方向と直交するコア幅方向に対して非直交方向となるように設定され、前記長手状磁性部材と検出ステータとの非接触状態による相対移動を前記検出ステータに設けられた各複数よりなる前記第１、第２検出コイルで検出することにより、多重冗長系を確実に形成することができる。
また、前記長手状磁性部材は、長手状部材上に貼り付けられていることにより、組立てが極めて容易であった。
また、前記Ｅ型コアの前記コア幅方向に沿うコア幅寸法は、前記長手状磁性部材の磁性部材幅寸法より大であることにより、各検出コイルによるエアギャップ面積の検出が容易となる。
また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの外周には、第１、第２補正コイルが筒状でかつ二層状に設けられていることにより、オフセット調整により、出力信号の感度の補正を行うことができる。
また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、各々独立した一対の輪状ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向に沿って積層されていることにより、前述と同様の補正ができる。
また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、前記励磁コイルを設けるための励磁コイル用ボビンと一体に形成された補正コイル用ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向と直交する方向に沿って積層されていることにより、前述と同様の補正を行うことができる。
また、前記第２突出歯部に設けられている前記励磁コイルの下方位置には、前記励磁コイルを設けるための励磁コイル用ボビンと一体に形成された補正コイル用ボビンを介して第１、第２補正コイルが前記第２突出歯部の長手方向と沿う方向において積層されていることにより、前述と同様の補正を行うことができる。

本発明による多重冗長型リニアセンサを示す斜視構成図である。図１の平面構成図である。図１の検出ステータを示す構成図である。図３の他の形態を示す断面図である。図４の励磁コイルの他の形態を示す断面図である。図４の励磁コイルの他の形態を示す断面図である。図４の励磁コイルの他の形態を示す断面図である。本発明による多重冗長型リニアセンサを示す平面図である。図８の要部の拡大図である。図８の左側からみた側面図である。従来のリニアセンサを示す構成図である。

本発明は、検出コイルと長手状励磁部材の組合わせによる面積変化に基づく簡単な構造とした多重冗長型リニアセンサを提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明による多重冗長型リニアセンサの好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分については同一符号を用いて説明する。また、本発明による多重冗長型リニアセンサを説明する前に、多重型に適用するための冗長系でない単体のリニアセンサについて説明する。
図１及び図３において、符号３０で示されるものは１個のみの検出ステータであり、この検出ステータ３０は、全体形状がＥ型をなすＥ型コア３１と、このＥ型コア３１に一体に形成され、かつ、互いに間隔をあけて位置する第１〜第３突出歯部３２，３３，３４と、前記各突出歯部３２，３４に巻回された第１、第２検出コイル２，２Ａと、中央位置の前記第２突出歯部３３に巻回された励磁コイル２Ｂと、から構成されている。

前記各突出歯部３２，３３，３４の第１〜第３先端面３２ａ，３３ａ，３４ａの近傍位置には、磁性材料よりなり長手形状の長手状磁性部材４０が、前記各先端面３２ａ，３３ａ，３４ａとは所定のギャップを保つ非接触状態で直線移動自在に構成されている。

前記検出ステータ３０は、図２で示されるように、前記Ｅ型コア３１のコア厚さ４１に沿うコア厚さ方向Ｂを有し、このＥ型コア３１の長さであるコア幅寸法Ｗ₁（図３）を有している。

前記長手状磁性部材４０は、板状又は薄膜状等の帯状磁性材からなり、本形態では板状の場合が採用されており、非磁性材からなる長手状部材４２上に貼り付けた状態で構成され、所定の磁性部材幅寸法Ｗ₂を有している。また、長手状磁性部材４０の構造としては、積層の板、圧粉鉄芯による板状とすることもできる。

さらに、この長手状磁性部材４０は、長手直方体形状をなす前記長手状部材４２上において、図で左側に傾斜した状態で貼り付けられている。
従って、この長手状磁性部材４０の両側部４３，４４の側部長手方向４３ａ，４４ａは、前記Ｅ型コア３１のコア厚さ方向Ｂと直交するコア幅方向Ｃに対して非直交方向となるように設定されている。

前述の構成において、励磁コイル２Ｂに励磁信号を供給して励磁状態とした後、固定された検出ステータ３０に対して長手状部材４２と共に長手状磁性部材４０を矢印Ｄの方向に沿ってＥ型コア３１とは非接触状態で移動させると、Ｅ型コア３１に対する長手状磁性部材４０の重なり具合が変化するため、このＥ型コア３１と長手状磁性部材４０とのエアギャップ面積の変化を各検出コイル２，２Ａからの誘起電圧の電圧レベルによって、長手状磁性部材４０の長手方向の位置を検出することができる。

また、前述の場合は、検出ステータ３０を固定し、長手状磁性部材４０を移動させた場合について述べたが、相対的な構成であるので、長手状磁性部材４０を固定し、検出ステータ３０を移動させた場合も、前述と同様の作用効果を得ることができる。

尚、長手状部材４２上に貼り付けられた長手状磁性部材４０は、図２のように、長手状部材４２上でみると、長手状磁性部材４０の長さ、すなわち、側部長手方向４３ａ，４４ａの全長にわたりＥ型コア３１との重合状態（すなわち、エアギャップ面積）が連続して変化しているため、その全長の何れの位置でも移動位置又は長さ位置を検出することができる。
従って、長手状部材４２上に長手状磁性部材４０を貼り付けた後の長手状部材４２上の残り部分４２ａ，４２ｂは、細長い三角形状となり、長手状磁性部材４０の存在がその長手方向全体にわたり連続的に変化していることが明らかである。

次に、図４で示される構成は、図３で示される第２突出歯部３３に巻回されている励磁コイル２Ｂの外周に出力信号（検出信号）のオフセットを調整するための第１補正コイル５０及び第２補正コイル５１が筒状に巻回されている。

図５は、図４の他の形態を示すもので、第２突出歯部３３に励磁コイル２Ｂが巻回された輪状の励磁コイル用ボビン５２の下方に、一対の第１、第２輪状ボビン５３，５４が第２突出歯部３３の長手方向Ｇに沿って積層され、第１輪状ボビン５３内には第１補正コイル５０が設けられ、第２輪状ボビン５４内には第２補正コイル５１が設けられている。

図６は、図５の他の形態を示すもので、第２突出歯部３３に励磁コイル２Ｂが巻回された輪状の励磁コイル用ボビン５２の下方にこの励磁コイル用ボビン５２と一体に形成された補正コイル用ボビン５３Ｃ内に第１、第２補正コイル５０，５１が第２突出磁極３３の長手方向Ｇと直交する径方向に沿って積層した状態で配設されている。

図７は、図５の他の形態を示すもので、図５の第１、第２輪状ボビン５３，５４の構成を励磁コイル用ボビン５２と一体に形成したもので、他の構成は図５と同一であるため、同一符号を付し、その説明は省略する。

前述のように、第２突出歯部３３に形成された第１、第２補正コイル５０，５１を励磁することにより、前述のように本発明においては、従来のようにギャップ長の変化の検出ではなく、ギャップ面積の変化でコイルの磁束量を変化させ位置情報を得ているため、各補正コイル５０，５１からの励磁によって、励磁コイル２Ｂの両側に検出コイル２，２Ａを配設することにより、励磁コイル２Ｂより励磁された磁束を両方の検出コイル２，２Ａで受けるため、一方の検出コイル２で増加した分の磁束は他方の検出コイル２Ａでは減少した形となり、それぞれの検出コイル２，２Ａからの出力の差と和の比率は一定となり、ギャップ変動に強い特性を得ることができる。尚、前述の各補正コイル５０，５１の起電力により、図示していないが、各検出コイル２，２Ａからの検出信号のオフセットの調整を行う。

次に、各第１、第２補正コイル５０，５１の起電力を検出コイル２，２Ａの起電力から引くことにより、検出時における検出レシオを大きく取るために用いられる。

尚、前述の検出ステータ３０のＥ型コア３１としては、珪素鋼板積層、パーマロイ、圧粉鉄芯の何れかよりなり、スケールとしての長手状磁性部材４０は、軟磁性鋼板で作成、鋼板、珪素鋼板、パーマロイの積層で作成、圧粉鉄芯で作成の何れかである。

前述の図１から図７の構成は、図８で示される本発明による多重冗長型リニアセンサ１００を構成するための基本となる単体の検出ステータ３０に1チャンネル用の第１検出コイル２、第２検出コイル２Ａ及び励磁コイル２Ｂを有する冗長系でない構成のリニアセンサについて述べたが、図８は本発明による多重冗長型リニアセンサ１００の平面図を示している。
尚、図１から図７の構成と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略している。

図８において、左右方向に移動自在なスケールとしての長手状磁性部材４０の上方位置には、前述の第１、第２検出コイル２，２Ａ及び励磁コイル２Ｂを有する１個のみの検出ステータ３０が固定配設され、この検出ステータ３０の第１、第２、第３突出歯部３２，３３，３４のうち、第１突出歯部３２には、その長手方向Ｘに沿って、第１チャンネルＣＨ１から第３チャンネルＣＨ３用の同一構成の３個の第１検出コイル２が互いに所定の間隔をあけて配設されている。

前記第２突出歯部３３には、その長手方向Ｘに沿って、第１チャンネルＣＨ１から第３チャンネルＣＨ３用の同一構成の３個の励磁コイル２Ｂが互いに所定の間隔をあけて配設されている。
尚、前記励磁コイル２Ｂは、前述の図１から図７で示される構成が採用されている。

前記第３突出歯部３４には、その長手方向Ｘに沿って、第１チャンネルＣＨ１から第３チャンネルＣＨ３用の同一構成の３個の第２検出コイル２Ａが互いに所定の間隔をあけて配設されている。

従って、図９及び図１０に示されるように、前記第１〜第３突出歯部３２〜３４に設けられた３組の第１検出コイル２と励磁コイル２Ｂ及び第２検出コイル２Ａにより、第１〜第３チャンネルＣＨ１〜ＣＨ３が構成されて多重冗長系が形成されている。
尚、前述の構成では、３チャンネルＣＨ１〜ＣＨ３の多重冗長系について説明したが、３チャンネル以外の多重冗長系とすることもできる。

前記第１〜第３チャンネルＣＨ１〜ＣＨ３における各第１、第２検出コイル２，２Ａからは、前記長手状磁性部材４０の移動位置又は量に関する全く同一の検出信号が得られるように構成され、１個のみの検出ステータ３０を用いて多重冗長系を構成することができる。
また、図示してないが、検出ステータ３０は、固定部材に固定され、長手状磁性部材４０は移動部材に保持されている。

本発明によるリニアセンサは、製鉄所等の長手状部材のリニア検出だけではなく、各種工作機、ロボット、宇宙機器等への応用も可能である。

２第１検出コイル
２Ａ第２検出コイル
２Ｂ励磁コイル
３０検出ステータ
３１Ｅ型コア
３２第１突出歯部
３２ａ第１先端面
３３第２突出歯部
３３ａ第２先端面
３４第３突出歯部
３４ａ第３先端面
４０長手状磁性部材
４１コア厚さ
４２長手状部材
４３側部
４３ａ，４４ａ側部長手方向
Ｗ₁ コア幅寸法
Ｗ₂ 磁性部材幅寸法
Ｂコア厚さ方向
Ｃコア幅方向
５０第１補正コイル
５１第２補正コイル
５２励磁コイル用ボビン
５３第１輪状ボビン
５３Ａ第１補正コイル用ボビン
５３Ｂ第２補正コイル用ボビン
５３Ｃ補正コイル用ボビン
５４第２輪状ボビン

Claims

第１、第２及び第３突出歯部(32,33,34)を有しＥ型コア(31)からなる１個のみの検出ステータ(30)と、前記検出ステータ(30)に設けられた第１、第２、第３突出歯部(32,33,34)と、前記第１突出歯部(32)に設けられた複数の第１検出コイル(2)と、前記第２突出歯部(33)に設けられた複数の励磁コイル(2B)と、前記第３突出歯部(34)に設けられた複数の第２検出コイル(2A)と、前記各突出歯部(32,33,34)の各先端面(32a,33a,34a)の近傍位置に配設された長手状磁性部材(40)と、を備え、
前記長手状磁性部材(40)は、板又は薄膜状の帯状磁性材よりなり、前記長手状磁性部材(40)の両側部(43,44)の側部長手方向(43a,44a)は、前記Ｅ型コア(31)のコア厚さ方向(B)と直交するコア幅方向(C)に対して非直交方向となるように設定され、前記長手状磁性部材(40)と検出ステータ(30)との非接触状態による相対移動を前記検出ステータ(30)に設けられた各複数よりなる前記第１、第２検出コイル(2,2A)で検出することにより、多重冗長系を形成することを特徴とする多重冗長型リニアセンサ。
前記長手状磁性部材(40)は、長手状部材(42)上に貼り付けられていることを特徴とする請求項１記載の多重冗長型リニアセンサ。
前記Ｅ型コア(31)の前記コア幅方向(C)に沿うコア幅寸法(W₁)は、前記長手状磁性部材(40)の磁性部材幅寸法(W₂)より大であることを特徴とする請求項１又は２記載の多重冗長型リニアセンサ。
前記第２突出歯部(33)に設けられている前記励磁コイル(2B)の外周には、第１、第２補正コイル(50,51)が筒状でかつ二層状に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の多重冗長型リニアセンサ。
前記第２突出歯部(33)に設けられている前記励磁コイル(2B)の下方位置には、各々独立した一対の輪状ボビン(53,54)を介して第１、第２補正コイル(50,51)が前記第２突出歯部(33)の長手方向(G)に沿って積層されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の多重冗長型リニアセンサ。
前記第２突出歯部(33)に設けられている前記励磁コイル(2B)の下方位置には、前記励磁コイル(2B)を設けるための励磁コイル用ボビン(52)と一体に形成された補正コイル用ボビン(53C)を介して第１、第２補正コイル(50,51)が前記第２突出歯部(33)の長手方向(G)と直交する方向に沿って積層されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の多重冗長型リニアセンサ。
前記第２突出歯部(33)に設けられている前記励磁コイル(2B)の下方位置には、前記励磁コイル(2B)を設けるための励磁コイル用ボビン(52)と一体に形成された補正コイル用ボビン(53A,53B)を介して第１、第２補正コイル(50,51)が前記第２突出歯部(33)の長手方向(G)と沿う方向において積層されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の多重冗長型リニアセンサ。